Biofizika szeminárium 2011. november 2.
Diffúzió Jelentősége, Fick I. és Fick II. törvény, termodiffúzió
Ozmózis Víz Feladatok
Jelentősége:
♦ biológia rendszerek anyagtranszport folyamatai ♦ az anyagok sejtmembránon keresztül történő áthaladása ♦ alapvető anyagcsere-folyamatok vér és a tüdő közötti gázcsere ♦ ingerületi folyamatok ♦ gyógyszerek felszívódása ♦ kémiai reakciók ♦ termodiffúzió
Diffúzió Brown-mozgás
Transzportfolyamatok általános leírása Onsager-egyenlet
J=XL Az extenzív fizikai mennyiség áramsűrűsége (J) egyenesen arányos az intenzív fizikai mennyiség (X) gradiensével.
Definíció: Hőmozgás okozta anyagáramlás, amely egy rendszert a koncentráció-különbségek kiegyenlítődése irányába mozdít el.
Oka: Ha egy rendszerben az anyag nem egyenletesen oszlik el (pl. a kockacukor egy pohár vízben), akkor a részecskék rendezetlen, lökdösődő mozgása előbb-utóbb magától is egyenletes anyageloszlást fog létrehozni. Fizikai kifejezéssel élve: az anyagi rendszerek önként elmozdulnak a rendezettebb állapotok felől a kevésbé rendezettek irányába (ez az entrópia növekedés tétele).
Diffúzió leírása Két komponensű a diffúzió: 1. ami diffundál (cukor, tinta) 2. amiben diffundál (kávé, víz)
Anyagáram-erősség
Anyagáram-sűrűség
I v n Jv A A [mol/s]
[mol/m2s]
Megadja, hogy egységnyi felületen egységnyi idő alatt hány mólnyi anyag jut keresztül.
Fick I. törvény Fick kísérlete: Adolf Eugen Fick (1829-1901) Német anatómus, fiziológus
Anyagáram-sűrűség
Koncentráció gradiens
I v n Jv A A J≈X Onsager-egyenlet
n c A x
Fick I. törvény c J D x Fick 1. törvénye: az anyagáram-sűrűség egyenesen arányos a koncentrációeséssel. D – diffúziós együttható, ami megadja az egységnyi idő alatt egységnyi felületen átdiffundált anyag mennyiségét, ha a koncentrációesés is egységnyi volt. Függ a részecske és a közeg sajátságaitól Mértékegysége: m2/s
Gömbszimmetrikus részecskékre (r), diffúzójára η viszkozitású közegben T hőmérsékleten:
Stokes-Einstein összefüggés
D
kT 6r
Koncentrációnak csak a térbeli változását vettük figyelembe, pedig diffúzió során fontos a koncentráció időtől való függését is vizsgálni.
Miért fontos ezt vizsgálni? injekció – fontos tudni, hogy mennyi időt vesz igénybe a diffúzió a koncentráció állandó változása mellett. Anyagcserefolyamatok sebességének meghatározása
Fick Fick II. II. törvény törvénye A koncentráció térbeli-időbeli változását írja le. Vizsgáljuk a diffúziót 1D-ban (x tengely mentén) beáramlott anyagmennyiség anyagáram sűrűség
kiáramlott anyagmennyiség anyagáram sűrűség
Az anyagmennyiség nettó változása (Δn) a ΔV térfogatban Δt idő alatt: c koncentrációból számolt
(ct+Δt-ct)AΔx Fick I. törvényéből
c J D x
=
J anyagáram sűrűségből számolt
= (Jx-Jx+ Δx) A Δt
Δc Δx = - ΔJ Δt
J c x t
Fick II. törvénye
Egyenletes kezdeti koncentráció eloszlás Hőmérsékletkülönbség hatására jön létre az áramlás A hővel együtt komponensek is áramlanak. A hő a melegebb helyről a hidegebb felé áramlik. Ezért hidegebb helyen dúsul fel az anyag. A kisebb tömegű részecskék gyorsabban diffundálnak a magasabb hőmérsékletű hely felé. A melegebb helyen a kisebb tömegű, a hidegebb helyen a nagyobb tömegű részecskék jutnak túlsúlyba. Soret-effektus A hő áramlásával előidézett anyagáramlás.
Dufour effektus Az előbbi fordítottja. Anyagáramlással előidézett hőáram.
Ozmózis A diffúzió különleges formája. Itt a részecskék, molekulák szabad áramlását egy „szűrő”, a szemipermeábilis hártya (Pl.: sejtfal, celofán, biológiai membránok) megakadályozza. Az oldószer (általában a víz) diffúziója féligáteresztő hártyán keresztül.
Féligáteresztő hártya Erythrocyta Albumin
Baktériumok Közepes méretű molekulák
Elektrolitok
Pl. b2-Microglobulin
A víz átáramlása
Az oldott anyagok nem tudnak átjutni a membránon, így a koncentráció kiegyenlítődésére való törekvés miatt víz áramlik át a membránon.
Az ozmózis jelensége akkor is fellép, ha a féligáteresztő hártya két oldalán különböző koncentrációjú oldatok vannak. Mindig a töményebb oldat hígul fel!
Anyagtranszport a sejtmembránon keresztül Általában az extra- és intracelluláris oldat azonos ozmotikus nyomású:izotóniásoldat pl.vörösvértest fiziológiás sóoldatban(0,9%NaCl) Ha az extracelluláris oldat alacsonyabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris: Hipotóniás oldat Mivel az oldott anyag nem tud a sejtből távozni,passzív vízbeáramlás indul meg: duzzadás pl.vörösvértest olyan sóoldatban,amely koncentrációja<0,9%NaCl pl.sport italok:rehidratáció
Ha az extracelluláris oldat magasabb ozmotikus nyomású, mint az intracelluláris: Hipertóniás oldat Mivel az oldott anyag nem tud a sejtbe bejutni, passzív vízkiáramlás indul meg: zsugorodás Pl.: agyödéma ellen olyan sóoldat , amely konc. > 0,9 % NaCl
Féligátersztő hártya
cukoroldat
víz
Oldószer be
t0 időpillanatban
Oldószer beáramlása
t időpillanatban
Nő a zsákon belüli nyomás
Segíti az oldószer kiáramlását
•A nyomás csak a dinamikus egyensúly beálltáig növekedhet. •Egységnyi idő alatt ugyanannyi oldószer diffundál be, mint amennyi a nyomáskülönbség hatására kipréselődik. •Ozmotikus egyensúly! •Ennek megfelelő nyomáskülönbség az OZMOTIKUS NYOMÁS
Az a nyomás, amelyet a tiszta oldószerrel féligáteresztő hártyán át kapcsolatban lévő oldatra kell kifejteni ahhoz, hogy dinamikus egyensúly jöjjön létre, azaz leálljon az ozmózis.
pozmózis gh
ρ- sűrűség h- folyadékoszlop magassága g- 9,81 m/s2
Van’t Hoff-törvény
pozmózis cRT
c- oldat koncentrációja
R-egyetemes gázállandó T-abszolút hőmérséklet
Híg oldatok ozmózisnyomása közelítőleg akkora, mint amekkora nyomást az oldott anyag kifejtene, ha az oldattal azonos térfogatot ugyanazon a hőmérsékleten gáz alakban töltené ki.
Reverz ozmózis
Idő Nyomás
Nyomás lép fel a membrán egyik oldalán.
Ultrafiltráció
Idő
Nyomás
A víznek és a benne oldott anyagoknak a membrán egyik oldalára kifejtett nyomása ezek átszűrődését okozza a membrán másik oldalára. Ez addig tart, amíg nyomást fejtenek ki a membrán oldalára.
Diffúzió és az ozmózis szerepe, 1. Dialízis felhasználása A dialízis lényege a veseműködés mesterséges pótlása. Az ozmózis illetve diffúzió törvényén alapuló folyamat segítségével kiszűrik a méreganyagot a vérből. Alkalomszerűen kidializálható mérgezésben, rendszeresen krónikus uraemia esetében alkalmazzák.
Nagy intenzitású lézernyalábbal besugározzuk a minta egy körülhatárolt részét. A molekulák kifakulnak a besugárzott területen belül, azaz elvesztik a fluoreszcenciájukat
Mivel a molekulák mozgékonyak diffúzió, aktív transzport - a kifakult, nem fluoreszkáló molekulák kicserélődnek a nem kifakult, azaz fluoreszkáló molekulákkal. Így a lézersugárral kifakított foltban a fluoreszcencia intenzitás növekedni fog.
0 C-on mért fizikai jellemzők
A víz sűrűsége
Sűrűség-anomália a víz sűrűsége 4 °C-on a legnagyobb.
A víz fázisdiagramja Egy anyag halmazállapotainak ábrázolása a nyomás, a térfogat és a hőmérséklet függvényében. Ennek kétdimenzós vetülete a nyomáshőmérséklet diagram.
Kisebb nyomáson a víz forráspontja is alacsonyabb. Így, ha pl. a Himaláján főzünk, akkor a víz 100 °C alatt forrásba jön, mondjuk a bableves mégsem fő meg (ahhoz 100 °C kell).
A víz tulajdonságainak magyarázata A szokatlanul magas fajhő, felületi feszültség, olvadáshő, párolgáshő, olvadáspont és fagyáspont magyarázata a vízben jelenlévő nagyszámú hidrogénhíd kötés. A jég vízénél kisebb sűrűségének magyarázata a hexagonális kristályszerkezet és a benne található sok üres tér.
A víz biológiai jelentősége Sűrűség anomália, magas olvadás/fagyáshő: a tengerek és tavak vize felülről fagy be és nem fagy be teljesen, így biztosítja az élet fennmaradását. Nagy hőkapacitás: segíti az állandó hőmérséklet fenntartását, az élő szervezetek nem könnyen hűlnek ki. Nagy párolgáshő: az élő szervezetek párolgással könnyen adhatnak le hőt. Nagy dipólmomentum: kiváló oldószer tápanyagok és biológiailag fontos vegyületek számára, makromolekulák körül hidrátburkot képez (között víz).
Melyik oldatnak van nagyobb ozmotikus nyomása: amelyik 3,9*10-2 mol/L naftalint (C10H8), vagy amelyik 2,81*10-2 mol/L antracént (C14H10) tartalmaz? Indokolja meg a választ és számítsa ki az oldatok ozmózisnyomását 25 °C hőmérsékleten. R=8,314 J/molK.
3,9 10-2 8,314 298,16 = 96,68 kPa
2,81 10-2 8,314 298,16 = 69,66 kPa
Egy fehérje oldat ozmózisnyomása 20 °C-on 2,133 kPa. Mennyi a fehérje moltömege? A fehérjeoldat sűrűsége 1 g/cm3 és az R=8,314 J/molK. Pozmózis V=nRT
pozmózis
n RT V
m n M pozmózis
1,14*103 g/mol
m 1 * R *T M V
Köszönöm a figyelmet!
